中國科大構筑出暖白光發光二極管器件

近日，中國科學技術大學姚宏斌課題組基于新型銅碘雜化團簇，構筑出低成本、高效率、高亮度暖白光發光二極管（LED）器件。得益于所設計的銅碘雜化團簇具備的高構型熵、高發光效率和寬光譜發射等特性，研究實現了高效暖白光LED器件無摻雜、低成本、大面積的溶液法涂布制備，這是非鉛金屬鹵化物LED領域的新突破。相關研究成果以High efficiency warm-white light-emitting diodes based on copper–iodide clusters為題，發表在《自然-光子學》（Nature Photonics）上。

如今LED照明技術和產業取得了發展。其中，溶液法涂布制備的LED器件因制造工藝簡單和可操作性強，被認為是實現下一代大面積固態照明的低成本技術路線。目前，基于鉛鹵化物鈣鈦礦材料、有機半導體材料以及各種膠體核殼量子點材料的溶液法LED器件，逐步實現了較高的電致發光性能。然而，鉛鹵化物鈣鈦礦和CdSe量子點等含有重金屬材料具備一定的生物毒性因而面臨著嚴峻的環境問題；基于低毒金屬元素的有機發光分子，InP量子點以及ZnSe量子點等材料的溶液法LED器件由于材料合成制備工藝復雜，生產成本較高，使得其在大規模制造方面仍面臨較多問題。因此，制備和開發價格低廉、環境低毒且易規模化生產的高效發光材料并實現高效溶液法LED器件是發展低成本固態照明的關鍵挑戰。

鑒于此，課題組基于銅碘雜化團簇體系，設計和制備了一類可用于溶液加工的寬光譜發射雜化團簇并構建了高性能暖白光LED器件（圖1）。研究通過同時引入氮膦螯合配體和高自由度的含膦增溶配體對銅碘團簇進行修飾，得到了兼具高發光效率和高溶解度的銅碘雜化團簇。該團簇在LED器件制備所使用的交叉溶劑N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中表現出超過200mg/mL的高溶解度和良好的結構穩定性。使用銅碘團簇/DMF溶液進行旋涂制備得到的發光薄膜具有0.22 nm的低表面粗糙度和超過70%的高發光量子產率，將其直接作為發光層，能夠通過正交溶劑路線制備低成本的暖白光LED器件。研究所得器件最大外量子效率達到19.1%，亮度超過40000 cd m-2，且工作壽命超過232小時（T50@100 cd m-2）。同時，得益于團簇良好的溶液加工性能，研究通過大規模刮涂技術，構筑了工作面積為36 cm2的大尺寸溶液法LED器件。該器件展現出亮度接近60000 cd m-2的暖白光發射（圖2）。此外，通過在氮膦螯合配體的氮雜環上修飾不同的供電子基團，課題組展示了一系列發光顏色可調的溶液法LED器件（圖3）。該工作實現了基于銅碘雜化團簇材料的高效、高亮度暖白光LED器件的構筑。銅碘雜化團簇材料體系所具備的結構可拓展性以及光譜可調節性使其在低成本高性能LED面板等固態照明技術中展現出潛力。

研究工作得到國家杰出青年科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項、稀土資源利用國家重點實驗室開放基金、中國科大原創探索項目、中國科大“雙一流”專項基金的支持。